Zigbee无线通信技术在水文雨量点布控方面的应用研究

辛 光，周 鹏

（吉林省水文水资源局长春分局，吉林 长春 130022）

1 Zigbee技术简介

ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，主要用于近距离无线连接。它依据802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个网络节点传到另一个节点，所以它们的通信效率非常高。通讯距离从标准的75 m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。ZigBee是一个由可多到65 000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个ZigBee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75 m无限扩展。

2 Zigbee技术特点

1）低功耗。在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6～24月，甚至更长。这是ZigBee的突出优势。

2）低成本。通过大幅简化协议（不到蓝牙的1/10），降低了对通信控制器的要求。

3)低速率。ZigBee工作在20～250 kbps的较低速率，分别提供 250 kbps（2.4GHz）、40kbps（915 MHz）和20 kbps（868 MHz）的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。

4）近距离。传输范围一般介于10～100 m之间，在增加RF发射功率后，亦可增加到1～3 km。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远。

5）短时延。ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15 ms，节点连接进入网络只需30 ms，进一步节省了电能。

6）高容量。ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65 000个节点的大网。

3 基于Zigbee技术的雨量测控系统组成

3.1 Zigbee 模块（2530）参数

输入电压：DC 3.3 V，范围2.6～3.6 V；温度范围：-40～85 ℃；无线频率：2.4 G（2 460 MHz）；传输距离：可视，开阔，传输距离1 600 m。

3.2 单片机

单片机又称微控制器，嵌入式微控制器等，属于第四代电子计算机。它把中央处理器、存储器、输入/输出接口电路以及定时器/计数器集成在一块芯片上，从而具有体积小、功耗低、价格低廉、抗干扰能力强且可靠性高等特点，因此，适合应用于工业过程控制、智能仪器仪表和测控系统的前端装置。正是由于这一原因，国际上逐渐采用微控制器（MCU）代替单片微型计算机（SCM）这一名称。“微控制器”更能反映单片机的本质，但是由于单片机这个名称已经为国内大多数人所接受，所以仍沿用“单片机”这一名称。

单片机的主要特点有：具有优异的性能价格比；集成度高、体积小、可靠性高；控制功能强；低电压，低功耗。

3.3 RS485串口通信特点

1）RS-485的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+（2～6）V 表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-（2～6）V表示。接口信号电平比RS-232-C降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接。

2）RS-485的数据最高传输速率为10 Mbps。

3）RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好。

4）RS-485最大的通信距离约为1 219 m，最大传输速率为10 Mb/S，传输速率与传输距离成反比，在100 kb/S的传输速率下，才可以达到最大的通信距离，如果需传输更长的距离，需要加485中继器。RS-485总线一般最大支持32个节点，如果使用特制的485芯片，可以达到128个或者256个节点，最大的可以支持到400个节点。

整个系统组成部分全部由太阳能供电，Zigbee模块通过单片机主控系统与雨量计相连。系统中的通信采用RS485通信协议。系统框图如图1所示。

由图1可以看出，单片机主控系统做为连接雨量计和通信模块的设备，整个系统的运算功能全部由其实现。按预先编好的程序，对雨量进行统计，将统计好的雨量存储到与之相连的存储器中并将此时段降雨数据发送至Zigbee通信模块，由通信模块传送至上一级系统。

图1 系统框图

考虑到雨量点布控的密度大的特点，需要大量的通信模块，这就要求在若干个模块的布控范围内设立一台中转站，即路由器装置，由每一台路由器收集其范围内的各通信模块所传来的数据，将数据收集后再次传到上一级系统，或是上一级路由或是数据中心，将雨量传输给上一级系统同时与上一级系统进行时间校核，保证各级子系统的时间与数据中心的时间保持一致。

4 应用前景

Zigbee无线通信技术做为短距离的无线通信技术在众多领域内都有越来越大的作用，其性价比高的特点使其被广泛的接受，利用Zigbee蜂窝无线通信特性是增加雨量点布控范围并降低成本的一种切实有效的手段。利用Zigbee技术在水位监测、森林防火监测、仓库报警监测、楼宇自动化以及众多需要范围广、密度大的情况下，由于其密度大的特点、使数据监测中心的定位准确性大大提高，起到非常好的效果。

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